圖1 氧化鋅避雷器 近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李國榮科研團隊在ZnO導電陶瓷研究中取得重要進(jìn)展。該團隊通過(guò)晶粒及晶界缺陷設計的方法，成功消除了ZnO晶界處的肖特基勢壘，制備出高導電的ZnO陶瓷，其室溫下的電導率高達1.9×105 Sm-1；同時(shí)缺陷設計也降低了材料的晶格熱導率，使該陶瓷呈現良好的高溫熱電性能，其在980K的功率因子達到了8.2×10-4 W m-1 K-2，較無(wú)缺陷設計的ZnO陶瓷提高了55倍，該成果對ZnO晶界勢壘以及電導的調控具有重要的借鑒意義。
ZnO具有來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、無(wú)污染及化學(xué)穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，在光電、壓電、壓敏及熱電等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。三價(jià)施主摻雜常常被用來(lái)提高ZnO材料的導電性，但是由于三價(jià)元素如Al3+在ZnO中的固溶度有限，導致電導率無(wú)法大幅提高；同時(shí)ZnO陶瓷中由于其本征缺陷而導致的晶界肖特基勢壘也進(jìn)一步降低了其電導率。因此，提高晶粒電阻，同時(shí)消除晶界肖特基勢壘是ZnO導電及熱電材料研究領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題。
該研究團隊在高電導的ZnO陶瓷的制備以及晶界勢壘的調控方面進(jìn)行了創(chuàng )新性地探索：通過(guò)還原性氣氛燒結，成功消除了ZnO晶界處的受主缺陷，使其晶界處的肖特基勢壘消失；與此同時(shí)，還原性氣氛燒結也提高了三價(jià)施主摻雜元素在ZnO晶粒中的固溶度，使材料的載流子濃度和遷移率均得到大幅度的提高。該研究還通過(guò)高分辨透射電鏡(HRTEM)、陰極發(fā)光(CL)發(fā)射譜及電子背散射衍射(EBSD)等多種表征手段進(jìn)一步證實(shí)了受主摻雜后晶粒晶界缺陷分布情況，發(fā)現摻雜在ZnO陶瓷晶粒中引入大量缺陷，可同時(shí)降低ZnO的晶格熱導，成功的實(shí)現了其電學(xué)性能和熱學(xué)性能的單獨調控，在導電及熱電陶瓷中有較好的應用前景。
目前，高電導ZnO陶瓷的相關(guān)研究工作已申請兩項國家發(fā)明專(zhuān)利。另外，該團隊還建立了結構-性能模型，為ZnO陶瓷的晶界勢壘以及電學(xué)性能的研究工作提供了良好的研究基礎。
圖２ 空氣及還原性氣氛中燒結的ZnO導電陶瓷的電導率(左)與I-V曲線(xiàn)（右）
圖3 空氣及還原性氣氛中燒結的ZnO導電陶瓷的CL譜（左圖）
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